RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS: UMA FONTE ALTERNATIVA NA ELABORAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS DE BAIXA DENSIDADE

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

MESTRADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS AVANÇADOS

Formação: Mestrado em Engenharia de Materiais e Processos Avançados

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO OBTIDA POR Raquel Luísa Pereira

RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS: UMA FONTE ALTERNATIVA

NA ELABORAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS DE BAIXA

DENSIDADE

Apresentada em 25 / 10 / 2002 Perante a Banca Examinadora:

Nelson Heriberto Almeida Camargo, Dr. (CCT/UDESC) PRESIDENTE Armando Borges De Castilhos Jr., Dr. (UFSC).

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA - DEM

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS AVANÇADOS

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Mestranda: RAQUEL LUÍSA PEREIRA – Química Industrial Orientador: Prof. Dr. NELSON HERIBERTO ALMEIDA CAMARGO

CCT/UDESC – JOINVILLE

RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS: UMA FONTE ALTERNATIVA

NA ELABORAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS DE BAIXA

DENSIDADE

DISSERTAÇÃO APRESENTADA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE MESTRE EM ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS AVANÇADOS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA, CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT, ORIENTADA PELO PROF. DR. NELSON HERIBERTO ALMEIDA CAMARGO.

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

COORDENAÇÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO – CPG

"RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS: UMA FONTE ALTERNATIVA

NA ELABORAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS DE BAIXA

DENSIDADE"

por

Raquel Luísa Pereira

Essa dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS AVANÇADOS na área de concentração " Reciclagemde Resídos Sólidos", e aprovada em sua forma final

pelo

CURSO DE MESTRADO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS E PROCESSOS AVANÇADOS

DO CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo (Presidente)

Banca Examinadora:

Dr. Armando Borges de Castilhos Jr. UFSC

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FICHA CATALOGRÁFICA

NOME: PEREIRA, Raquel Luísa. DATA DEFESA: 30/10/2002 LOCAL: Joinville, CCT/UDESC

NÍVEL: Mestrado Número de ordem: – CCT/UDESC FORMAÇÃO: Engenharia de Materiais e Processos Avançados

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Reciclagem de Resíduos Sólidos

TÍTULO:

RESÍDUOS SÓLIDOS INDUSTRIAIS: UMA FONTE ALTERNATIVA

NA ELABORAÇÃO DE MATERIAIS CERÂMICOS DE BAIXA

DENSIDADE

PALAVRAS - CHAVE: Matéria Alternativa, Argamassa, Microestrutura, Propriedades. NÚMERO DE PÁGINAS: 106 p.

CENTRO/UNIVERSIDADE: Centro de Ciências Tecnológicas da UDESC

PROGRAMA: Pós-graduação em Engenharia de Materiais e Processos Avançados CADASTRO CAPES: 4100201001P-9

ORIENTADOR: Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo

PRESIDENTE DA BANCA: Dr. Nelson Heriberto Almeida Camargo

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A Deus por tudo. O Senhor é meu pastor, nada me faltará.

Ao meu pai in memóriam:

Por mais que o tempo e a distância insistam em me fazer te esquecer, sei que o amor verdadeiro nunca morrerá.

À minha mãe e irmãos:

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AGRADECIMENTOS

À Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC, e ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais e Processos Avançados pela oportunidade da realização do presente trabalho.

Ao professor, orientador Nelson Heriberto Almeida Camargo, pela dedicação, seriedade, competência e incentivo demonstrados durante a realização deste trabalho.

Ao colega Adriano Emilio Schmidt pelas suas idéias e discussões valiosas, ocorridas durante todo o período de nossa convivência na UDESC.

A CAPES pela bolsa de estudo concedida.

As empresas FRANKE DOUAT, FABRIL LEPPER e MULTIBRÁS pela contribuição para realização deste trabalho.

Ao Dr. Luiz Eduardo T. Ferreira pelas sugestões e explicações.

Aos meus grandes amigos de todos os momentos César, Cleiton, Fabrício, Franciele, Jeanette, Leônidas, Luciano, Marisa, Moisés, Rubens. "Nossa amizade nasceu de uma luz que acendeu aos olhos de abril" (Djavan).

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SUMÁRIO

Página

RESUMO……… 10

INTRODUÇÃO GERAL………. 12

PARTE I – ESTUDO BIBLIOGRÁFICO 1.1. Generalidade sobre resíduos sólidos industriais... 15

1.2. Normas de caracterização de resíduos sólidos industriais... 17

1.3. Resíduo da indústria têxtil……… 19

1.4. Poliuretano...………. 20

1.5. Cimento portland... 21

1.5.1. Mecanismo de pega... 22

1.6. Agregado... a) Agregado miúdo... b) Agregado graúdo... 1.7. Argamassas... a) Argamassa de assentamento... b) Argamassa de revestimento... 1.7.1. Preparação de argamassas... 1.8. Resíduos industriais aplicados na construção civil... 1.8.1. Resíduo areia verde de fundição………. 1.8.2 Resíduo da indústria de papel……….. 23 23 23 25 25 26 27 28 29 33 1.9. Características das propriedades mecânicas e da microestrutura de diferentes argamassas... 36 1.9.1.. Características microestruturais...

a) Material obtido com areia verde de fundição... b) Material obtido com resíduo da indústria de papel...

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1.10 Mecânica da fratura... 1.10.1 Mecanismos de Danificação da Argamassa...

41 47

PARTE 2. MATERIAIS E MÉTODOS

Introdução... 49

2.1. Matérias-primas utilizadas... 51

2.1.1 Areia (agregado fino)………... 51

2.1.2. Matéria-prima alternativa têxtil... 52

2.1.3. Poliuretano... 2.1.4. Cimento... 2.1.5. Fibra... 2.1.6. Água... 55 56 57 58 2.2. Preparação das composições unitárias em volume... 2.2.1. Elaboração da argamassa com matéria- prima têxtil/agregado de Poliuretano/cimento... 2.3. Caracterização... 2.3.1. Caracterização física... 2.3.2. Propriedades mecânicas... 59 60 61 61 62 2.3.3. Caracterização microestrutural... 63

2.2.4. Análise granulométrica... 64

2.2.5. Determinação da umidade... 64

2.2.6. Ensaios ambientais... 64

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PARTE 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Introdução... 66 3.1. Estudo preliminar ………. 3.1.1. Caracterização química... 3.1.2. Elaboração da argamassa – Características... 3.1.3. Adição do poliuretano na argamassa... 3.2. Caracterização microestrutural e microanálise por EDX...

3.2.1 Caracterização microestrutural e análise química por EDX para o material padrão e para o material com a composição de 30% a 60% de matéria-prima têxtil ... 3.2.2. Caracterização microestrutural e microanálise por EDX para o material contendo em sua composição matéria-prima têxtil, Poliuretano e fibra... 4. Estudo piloto realizado em nível industrial... 5. Caracterização microestrutural do material convencional utilizado pela

empresa FRANKE-DOUAT... 6. Resultado da análise ambiental para o material com a composição de 30% de

matéria-prima têxtil/70% de Poliuretano... 66 66 69 75 82

82

85 90

91

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RESUMO

Este trabalho é o resultado dos projetos de parceria com as empresas FRANKE DOUAT e FABRIL LEPPER, sobre a utilização de traços de resíduos sólidos resultantes de processos industriais, na preparação de uma argamassa para aplicação em revestimento em chapas metálicas. Estas duas empresas forneceram as condições necessárias para realização deste trabalho, além da forte interação técnico-científica existente entre os participantes, o que veio contribuir ainda mais para realização deste trabalho. Foram utilizados os resíduos sólidos do processo de tratamento de efluentes da indústria têxtil, o qual foi denominado de matéria-prima alternativa têxtil, e o resíduo sólido de poliuretano resultante do processo de isolamento de refrigeradores, o qual foi chamado de matéria-prima de poliuretano. O objetivo deste trabalho se concentrou na preparação de uma argamassa para revestimento, a partir de traços de matérias-primas alternativas em substituição ao agregado fino, com interesse de produzir um material de revestimento de baixa densidade e baixo custo, com propriedades mecânicas e da microestrutura compatíveis para o tipo de aplicação desejada.

Os resultados obtidos são encorajadores, e se referem aos estudos de caracterização das matérias-primas alternativas, ambientais, das propriedades mecânicas, físicas (densidade) e da microestrutura para as diferentes composições preparadas. A otimização da composição de 30% de matéria-prima têxtil / 70% de poliuretano forneceu um material com os melhores resultados das propriedades mecânicas, densidade e da microestrutura. Uma conclusão foi elaborada mostrando os principais pontos alcançados e as perspectivas para os estudos futuros sobre o desenvolvimento de uma argamassa para revestimento em chapas metálicas ou para outros tipos de aplicações.

ABSTRACT

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INTRODUÇÃO GERAL

Em praticamente todo o mundo a preocupação com política ambiental surgiu há mais de vinte anos. A França foi um dos primeiros países a criar, em Janeiro de 1971, um ministério de proteção da natureza e do meio ambiente. Ao longo dos últimos anos, a proteção ambiental revelou-se um imperativo que atinge uma dimensão planetária. Essa conscientização fez surgir um grande número de tratados, diretrizes e convenções.

No Brasil a política ambiental teve um grande destaque a partir da década de 90, quando as empresas passaram a se pronunciar mais intensivamente sobre suas responsabilidades ambientais. Isso se deve por um lado, ao debate sobre a modernidade ocorrida em 1991, que difundiu, juntamente com as práticas de liberalismo econômico, as de qualidade total. E por outro lado, a preparação e realização da ECO 92 no Rio de Janeiro que mobilizou os empresários no distinto fórum. A defesa do meio ambiente deixou de ser apenas assunto de ecologistas e passou a ter grande relevância nas estratégias empresariais. Algumas empresas estão procurando mudar a filosofia de satisfação das necessidades do consumidor, objetivando uma melhor qualidade de vida para a sociedade, buscando solucionar os problemas ambientais. A preservação do meio ambiente converteu-se em um dos fatores de maior influência da década de 90, com grande rapidez de penetração de mercado [SOUZA, 1993].

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Diante do contexto de preservação ambiental e de viabilidade econômica, a indústria da construção civil ocupa papel de destaque por demandar grandes quantidades de materiais, apresentando-se, portanto, como potencial consumidor de resíduos sólidos industriais e urbanos, e com possível aplicação em vários setores da construção civil, como confecção de tijolos cerâmicos, argamassas para confecção de blocos, argamassas de revestimento, entre outros.

Este trabalho surgiu a partir de contratos de parceria (projetos de pesquisa) com as empresas FRANKE DOUAT e FABRIL LEPPER – Joinville, tendo como objetivo a elaboaração e caracterização de um material cerâmico de revestimento de baixa densidade e baixo custo. Para este estudo, foram utilizados como fonte alterativa, resíduos sólidos de baixa densidade na forma de granulados, originários da indústria têxtil e pó de poliuretano resultante do processo de isolamento de refrigeradores, estes foram utilizados em substituição ao agregado fino (areia) convencionalmente utilizado. O interesse aqui se concentrou na produção de um material cerâmico de baixa densidade, afim de minimizar os custos de transporte das pias revestidas

A companhia FABRIL LEPPER produz artigos de cama, mesa, banho e decoração. O processo têxtil da empresa gera certa quantidade de resíduos, dentre eles o lodo têxtil. O lodo ao sair do filtro prensa, passa por um secador, o material seco foi chamado de matéria-prima têxtil.

Os produtos da FRANKE DOUAT são cubas, pias, tanques, produtos sanitários, válvulas, e sistemas de gestão do lixo. A chapa de aço inoxidável utilizada na fabricação das pias possui espessura de 0,38mm, sendo que a função da argamassa de revestimento nas pias é proporcionar a rigidez do produto e melhorar a fixação deste em seu local de uso, assim inibindo qualquer deslocamento após instalado sobre um balcão.

Na parte 1 deste trabalho, está ilustrado o resultado do estudo bibliográfico, o que permitiu estabelecer um estudo de conhecimento sobre reaproveitamento de resíduos sólidos industriais, métodos e técnicas de elaboração e de caracterização destes novos materiais.

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A parte 3 expõem os resultados e discussões obtidos do estudo de caracterização das propriedades mecânicas, físicas, químicas e da microestrutura para as diferentes composições dos materiais testados.

Finalizando este trabalho, uma conclusão foi formulada referente aos estudos ilustrados na parte 3 e por fim apresentando uma conclusão geral do trabalho, levando em consideração os resultados obtidos, propondo novas sugestões para continuidade dos estudos.

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PARTE 1. ESTUDO BIBLIOGRÁFICO

1.1. Generalidade sobre resíduos sólidos industriais

Com a evolução tecnológica o setor industrial tem dedicado um esforço intenso, na melhoria dos processos de fabricação, buscando melhorar a qualidade do produto acabado e aumentar a competitividade no mercado industrial. O que tem levado as empresas, a tomarem certas precauções com o meio ambiente, devido às cobranças nacionais e internacionais de preservação da natureza.

Para alcançar este objetivo, um ponto importante tem preocupado os órgãos nacionais e internacionais que estabelecem as normas de preservação do meio ambiente. O descarte de resíduos industriais e urbanos, no ar, na água e no solo, tem sido uma grande preocupação da atualidade, pois estes vêm sendo ainda depositados por muitas indústrias em aterros de formas não adequadas [GRANDI, 1995].

Muitas empresas brasileiras estão se ajustando para atender aos apelos de proteção ambiental, sabendo-se ainda, que os investimentos são bastante humildes, mas existe o interesse em dar soluções e reduzir o impacto no meio ambiente, muitos descobriram que não agredir o meio ambiente é economicamente viável, além de preservar os recursos naturais. Assim, as empresas têm apresentado algumas soluções, o que tem melhorado o desenvolvimento sustentável, e ao mesmo tempo aumentado a lucratividade de seus negócios, o que tem minimizado os desperdícios através da recuperação e reaproveitamento dos resíduos resultantes dos processos de industrialização.

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Tabela 1.1. Tipos de resíduos resultantes de processos industriais [SILVA et al, 1996].

INDÚSTRIAS TIPOS DE RESÍDUOS

Refinarias de petróleo Coque e ceras de petróleo

Eletrometal-mecânicas Metais pesados (Zn, Cu, Ni e Pb)

Mineradoras Resíduos da mineração (sólidos ou da lavagem)

Têxteis Fibras de algodão e lamas da ETE*

Agroindústrias Matéria orgânica e detergentes

Madeira-mobiliário-papel e papelão Fibras de madeira, lodos e soda cáustica

Químicas Lodo ETA*, na manipulação de qualquer

produto

Fundições Areias, areias de fundição quando se utilizam resinas

Curtumes Resíduos de peles curtidas com alto teor de cromo

* ETE : Estação de tratamento de efluentes * ETA : Estação de tratamento de afluentes

Recentemente, vários estudos foram desenvolvidos em diferentes laboratórios, sobre a possibilidade de reaproveitamento de resíduos na obtenção de novos materiais, principalmente para uso na construção civil.

A tabela 1.2 apresenta diferentes tipos de resíduos incorporados em argamassas, desenvolvidos por diferentes autores.

A reciclagem e o reaproveitamento de resíduos como materiais para a construção civil é uma ferramenta de fundamental importância para o controle e minimização dos problemas ambientais causados pela geração de resíduos em diferentes atividades industriais, e na obtenção de materiais a um baixo custo.

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desempenho similar aos tradicionais com custo inferior e com a vantagem de dar uma destinação aos resíduos se mostra bastante atrativa.

Tabela 1.2. Diferentes tipos de resíduos incorporados em argamassas.

Resíduos Autores

Lodo têxtil + cinza pesada [ PRIM, 1998 ] [ MENDES, 1998 ] [ CASTILHOS et al, 1999 ] Cinza de casca de arroz [ SANTOS, 1997 ]

Entulho [ MIRANDA, 2000 ]

[ LEVY et al, 1996 ] Escória de alto-forno [ COUTO et al, 1999 ]

Granito [ CALMON et al, 1997 ] Borracha [ OLIVEIRA et al, 1999 ] Areia de fundição [ SCMIDT, 2000 ]

[ BONIN, 1995 ]

Pó de serra [ GRANDI, 1995 ]

Cinza preta e Grits [ BRESCANSIN, 2000 ]

1.2. Normas de caracterização de resíduos sólidos industriais

As normas brasileiras relativas à caracterização dos resíduos consistem essencialmente em determinar as características químicas e algumas características físicas, através da avaliação dos riscos potenciais ao meio ambiente e à saúde pública, possam ter manuseio e destinos adequados. Para estes fins são previstas as seguintes normas (ESTRELLA, 1996):

a) NBR 10.004 – Resíduos Sólidos – Classificação:

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Resíduos Classe I Perigosos Resíduos Classe II Não Inertes Resíduos Classe III Inertes

Todo resíduo é classificado quanto as suas características físicas, químicas e infecto-contagiosas.

b) NBR 10.005 – Lixiviação de Resíduos – Procedimentos:

O ensaio de lixiviação referente a NBR 10.005 é utilizado para a classificação de resíduos industriais, pela simulação das condições encontradas em aterros. A lixiviação classifica, um resíduo como tóxico ou não, seja classe I ou não [CAPONERO et al, 1999].

No ensaio de lixiviação, a amostra bruta deverá ter no mínimo 100 g a ser preparada, para que se tenha uma superfície específica superior à 3,1 cm2/g ou o material passar na peneira 9,5 mm, conforme especificações da referente norma. A fase sólida é colocada em água deionizada na proporção 16:1 e submetida a uma agitação por 24 h com pH ajustado no valor de 5.

c) NBR 10.006 – Solubilização de Resíduos – Procedimentos:

O ensaio de solubilização previsto na Norma NBR 10.006 é um parâmetro complementar ao ensaio de lixiviação, na classificação de resíduos industriais. Este ensaio tem por objetivo, a classificação do resíduo como inerte ou não, isto é, classe III ou não.

Uma amostra contendo 250 g de massa seca é colocada em 1 litro de água destilada ou deionizada e submetida à agitação durante 5 minutos; após 7 dias de repouso o material é então filtrado e o líquido submetido a uma análise química.

Conforme a norma NBR, a determinação de elementos solubilizados e lixiviados, é feita através de ensaios de curta duração em material previamente triturado a uma granulometria reduzida, imerso em um meio aquoso, podendo-se assim, deduzir o potencial poluente de uma matriz sólida [CAVALCANTE et al, 1996].

d) NBR 10.007 – Amostragem de Resíduos:

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de amostragem (objetivo da amostragem, número e tipo de amostras, local de amostragem, frascos e preservação da amostra).

1.3. Resíduo da indústria têxtil

De acordo com a CETESB [1991], a geração do resíduo (lodo) da indústria têxtil, ocorre após o processamento das fibras. A transformação da fibra crua em tecido não acabado ou em fios é uma operação a seco, com exceção da fase de lavagem da lã crua. As demais operações de acabamento constituem a parte mais importante da indústria, sob o ponto de vista de geração de despejos líquidos, as quais após tratamento, resultam em água tratada e efluente têxtil, sendo este o material chamado de resíduo têxtil.

Para se fabricar tecidos ou peças acabadas, a indústria têxtil utiliza grande quantidade de água e muitos produtos químicos, provocando a geração de despejos de composição complexa. O destino final destes efluentes tem sido normalmente os corpos d'água, porém devem estar dentro dos padrões ambientais, necessitando de tratamento. O tratamento é realizado em estações de tratamento de efluentes (ETE) situadas geralmente junto ao parque industrial.

O autor PRIM [1998] em seu trabalho mostrou que os efluentes passam por uma série de tratamentos físicos, biológicos e químicos onde se utiliza em algumas etapas muitos produtos químicos, para que o efluente ao final do tratamento, obtenha as características exigidas pelos órgãos ambientais, a fim que esse possa ser lançado em corpos d'água.

Os principais produtos do tratamento de águas residuais são: a) água tratada

b) os resíduos ou suspensões de sólidos obtidos como subprodutos.

O estudo realizado por ESTRELLA [1996] mostrou que o resíduo proveniente de sistemas de tratamento, apesar de ter consistência semi-sólida, é considerado como um resíduo sólido, conforme as definições da "Environmental Protection Agency" (EPA), da CETESB e da NBR 10.004.

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por sedimentação ou flotação, de parte do material sólido em suspensão, sem utilização de produtos químicos. Na classe dos lodos químicos, estão aqueles cuja obtenção ocorre com auxílio de produtos químicos. Os secundários são obtidos, com a utilização de floculantes, o que permite a decantação pela ação da gravidade e aglomeração das partículas e os floculantes.

O resíduo pode ser empregado na agricultura, incinerado ou estabilizado. O resíduo após estabilização pode ser uma matéria-prima alternativa no desenvolvimento de novos materiais e produtos ou enviado para aterros industriais.

1.4. Poliuretano

São polímeros que apresentam o grupo uretano em sua estrutura, além de outros como éter, éster, uréia. São produzidos a partir da reação de isocianatos com polióis, principalmente.

Já que a funcionalidade dos reagentes principais pode ser ajustada, uma grande variedade de polímeros podem ser formados.

Fórmula estrutural do poliuretano [BLASS, 1988].

ALBUQUERQUE [1999] em seu estudo apresentou certas características do poliuretano, sendo uma delas, a atoxicidade como também a elevada resistência à tração com grande alongamento até a ruptura. Se comparado com as borrachas, o poliuretano possui elevado módulo de elasticidade.

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Excelente resistência ao desgaste;

Excelente resistência ao ataque de óleos, solventes, graxas, benzina e benzeno; Excelente adesão a metais;

Alta resistência ao corte; Ótima flexibilidade;

Boa resistência à compressão, à tração e ao impacto; Grande variação de dureza;

Atóxico;

Baixo índice de absorção de umidade; Excelente resistência à oxidação;

Até 110 °C mantém estabilidade dimensional por pequenos períodos;

As propriedades gerais das espumas dependem da formulação: flexível ou rígida, densidade, quantidade de poros (células) e o grau de reticulação.

1.5. Cimento portland

O cimento Portland é um aglomerante hidráulico obtido da moagem do clínquer, através da clinquerização de uma mistura de proporções adequadas de calcário e argila [SILVA et al, 1999 ; NEVILLE, 1997 ; METHA, 1994]. Nessa moagem, adiciona-se um teor mínimo de gipsita (sulfato de cálcio para controlar o tempo de pega, ou seja, o tempo de início das reações do aglomerante com a água. Desta forma o cimento Portland é formado essencialmente por compostos que possuem cálcio e sílica em sua composição).

Existem cinco tipos de cimento Portland, com teores variáveis de compostos do clínquer.

Os principais compostos do cimento portland são os seguintes:

• C2S – 2CaO.SiO2 – Silicato Dicálcico – Tem pega lenta, com fraca resistência até os 28 dias, aumentando então rapidamente. Possui baixo calor de hidratação.

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• C3A – 3CaO.Al2O3 – Aluminato Tricálcico. Tem pega instantânea (necessidade de adicionar gesso), principal responsável pelo caráter exotérmico da reação de hidratação do cimento.

• C4AF – 4CaO.Al2O3.Fe2O3 – Ferro-Aluminato Tetracálcico. Possui pega rápida. A hidratação do cimento portland ocorre na presença de água. Os silicatos e aluminatos formam produtos de hidratação que, com o transcorrer do tempo, dão origem a uma massa firme e resistente. A velocidade de hidratação decresce continuamente em função do tempo [NEVILLE, 1997].

• Silicatos de Cálcio:

A hidratação dos silicatos se dá algumas horas após o início da hidratação do cimento. A hidratação do C3S e do C2S origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito variada e são representados por C-S-H e hidróxido de cálcio Ca(OH)2, compostos que preenchem o espaço ocupado pela água e pelas partículas do cimento em dissolução. De acordo com PRIM [1998] os compostos hidratados são aparentemente amorfos, porém observa-se na microestrutura do material um caráter cristalino. Sua forma predominante é fibrosa, maciça ou oca, com comprimento variando entre 0,5 µm e 0,2 µm, e largura menor que 0,2 µm. O Ca(OH)2 liberado pela hidrólise do silicato de cálcio forma delgadas lâminas hexagonais.

• Aluminatos hidratados:

A reação do C3A com a água é muito rápida, resultando em um enrijecimento imediato, conhecido como pega instantânea; para evitar que isso ocorra, adiciona-se a gipsita (CaSO4.2H2O).

1.5.1. Mecanismo de pega

A pega é a mudança da pasta de cimento do estado fluído para o estado sólido. É causada por uma reação seletiva de compostos do cimento. Os dois principais compostos que reagem são o C3A e o C3S.

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trabalhabilidade das argamassas do cimento. O fim da pega acontece quando a massa do cimento pára de se deformar, tornando-se um bloco rígido, porém, de baixa resistência. O endurecimento tem início com o fim da pega e caracteriza-se pelo aumento em coesão e resistência [NEVILLE, 1997, YANG, 2001].

1.6. Agregado

O agregado é um material granular, sem formae volume definidos, de origem natural ou sintéticos, relativamente inertes, de dimensões epropriedades adequadas para uso em obras de engenharia, compondo as argamassas e concretos.

O objetivo da adição do agregado nas argamassas e concretos é técnica e econômica. MEHTA [1994] mostrou em seu trabalho que a finalidade técnica do agregado é de resistir aos esforços solicitantes. O agregado é, também, mais durável e mais resistente que a pasta de cimento pura.

O objetivo econômico é diminuir o consumo do aglomerante ; o agregado custa menos que o cimento e, portanto, é econômico usar a menor quantidade possível de cimento.

De acordo com a norma NBR 7211 (agregados para concreto) os agregados são classificados em dois tipos de tamanho: a) agregados miúdos e b) agregados graúdos.

a) Agregados miúdos: são areias de origem natural ou resultante do britamento de rochas estáveis, ou a mistura de ambos, cujos grãos passam pela peneira ABNT 4,8 mm e ficam retidos na peneira ABNT 0,075 mm.

b) Agregados graúdos: são classificados como grãos que passam por uma peneira de malha quadrada com abertura nominal de 125 mm e ficam retidos na peneira ABNT 4,8 mm. São provenientes de rochas estáveis como pedregulho ou brita, ou a mistura de ambos.

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A análise granulométrica é determinada através da norma NBR 7217, que especifica o método de ensaio, para determinação da composição granulométrica de agregados para concreto. Nesta norma, o resultado é expresso em porcentagem retida acumulada em cada peneira. Além disso, determina-se também, a dimensão máxima característica e o módulo de finura do agregado. Por dimensão máxima característica entende-se a abertura nominal, em mm, da malha da peneira na qual o agregado apresenta uma porcentagem retida acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% em massa. O módulo de finura é calculado como a soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100.

Módulo de finura é definido como a soma das porcentagens acumuladas retidas nas peneiras da série normal: 150 µm, 300 µm, 600 µm; 1,18 mm; 1,36 mm; 5 mm, até a maior peneira usada.

CINCOTTO et. al.[1999] mostram que o módulo de finura (MF), que especifica a areia a ser empregada, em argamassas como areia fina, média ou grossa, de acordo com valores adotados conforme segue:

MF > 3,0 = areia grossa 3,0 ≥ MF ≥ 2,0 = areia média

MF < 2,0 = areia fina

O valor do módulo de finura é tanto maior quanto mais grosso for o agregado [MEHTA, 1994].

MIRANDA [2000] cita em seu estudo que a granulometria dos agregados para argamassas deve ser preferencialmente contínua, o que conduz a uma melhor trabalhabilidade e a uma redução do volume de pasta e dos efeitos da retração por secagem dos revestimentos, como conseqüência do menor consumo de água nas argamassas.

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Tabela 1.3. Influência das características granulométricas do agregado nas propriedades das argamassas [TRISTÃO, 1995].

Características da Areia Propriedades Quanto menor o

módulo de finura

Quanto mais descontínua for a

granulometria

Quanto maior o teor de grãos

angulosos

Trabalhabilidade Melhor Pior Pior

Retenção de água Melhor Variável Melhor

Resiliência Variável Pior Pior

Retração na secagem Aumenta Aumenta Variável

Porosidade Variável Aumenta Variável

Aderência Pior Pior Melhor

Resistências mecânicas Variável Pior Variável

Impermeabilidade Pior Pior Variável

Variável – quando não existe uma influência definitiva ou quando esta influência depende de outros fatores.

1.7. Argamassas

Argamassa, segundo a NBR 7200 da ABNT é uma mistura de aglomerantes e agregados minerais com água, possuindo capacidade de endurecimento e aderência.

FILOMENO [1993] mostrou que embora a argamassa e o concreto tenham semelhanças, suas funções e empregos são diferentes. O concreto é considerado um elemento estrutural e a argamassa é utilizada para unir os elementos que formarão uma estrutura. a) Argamassa de assentamento

Conforme o estudo realizado por FILOMENO [1993] as argamassas de assentamento não têm forma definida, mas possuem uma função específica: destina-se ao assentamento de unidades de alvenaria. A argamassa de assentamento, forma a junta de argamassa, que é um componente com forma e funções bem definidas:

(26)

b) Distribuir as cargas atuantes na parede, por toda a área submetida aos esforços; c) Absorver as deformações naturais a que a alvenaria estiver sujeita;

d) Selar as juntas contra a penetração de água da chuva.

Segundo FIORITO [1994] as principais propriedades da argamassa de assentamento são:

1 - Trabalhabilidade: quando se distribui com facilidade ao ser assentada, preenchendo todos os vazios. Não se separa ao ser transportada, não endurece quando toca blocos de sucção alta, e permanece plástica por um bom tempo.

2 - Retentividade de água: está relacionada com a manutenção da consistência da argamassa. É a propriedade da argamassa de não perder a água que possui para o elemento onde foi assentada.

3 - Aderência: a aderência é um processo mecânico da argamassa, que se ancora na alvenaria pela penetração nas suas reentrâncias. Aderência é a propriedade do revestimento de resistir a tensões normais ou tangenciais nas superfícies de interface com o substrato.

4 - Resistividade mecânica: o principal esforço que a argamassa de assentamento sofre é o de compressão. Também sofre, flexão e cisalhamento, por esforços laterais nas paredes, porém em menor quantidade.

b) Argamassa de revestimento

Revestimento é o recobrimento de uma superfície lisa ou áspera, com uma ou mais camadas superpostas de argamassa, com espessura via de regra uniforme, apta a receber, sem danos, uma decoração final.

Nas edificações, uma das maiores razões de falha das argamassas de revestimento, está relacionada com a perda ou falta de aderência ao substrato. Assim, a capacidade da argamassa de atingir uma completa resistência e durável aderência com o substrato, talvez seja, a sua mais importante propriedade em se tratando de aplicações em revestimentos.

Entre os usos importantes dos revestimentos argamassados, pode-se citar FIORITO [1994]:

(27)

conforto térmico; isolamento acústico; resistência ao fogo; regularização da base; aparência e decoração; proteção da base; rigidez do substrato.

Os revestimentos externos servem principalmente, para aumentar a durabilidade da obra, reduzir a penetração da água da chuva e em certos casos, melhorar a aparência das bases de alvenaria.

1.7.1. Preparação de argamassas

FILOMENO [1993] mostrou que as argamassas caracterizam-se, por apresentarem elevada plasticidade, quando recém-misturadas e rigidez quando endurecidas. Estas propriedades determinam seu emprego no revestimento de elementos de alvenaria, como os blocos e tijolos entre outras aplicações.

Denomina-se composição unitária ou ″traço″, nome utilizado normalmente na construção civil, à proporção relativa entre os constituintes da argamassa, exceto a água. A composição unitária pode ser dada em porcentagem de volume ou de massa, tomando-se como unidade o volume ou a massa do aglomerante. No caso das argamassas mistas, aquelas que possuem mais de um aglomerante, convencionou-se, que a unidade é o cimento, por ser o aglomerante que resulta em maiores resistências [FIORITO, 1994].

Representa-se a composição unitária por uma relação numérica, por exemplo, 1 : 2 : 9 em volume corresponde à argamassa dosada com um volume unitário de cimento, 2 volumes unitários de cal e 9 de areia [ PINTO, 1996] .

(28)

que não venham a se deformar com o uso, alterando a sua capacidade volumétrica com o tempo. Cientificamente, a dosagem em porcentagem de massa é a mais adotada, em função da precisão obtida.

Quanto ao tempo de mistura na betoneira ou argamasseira, recomenda-se, que seja o suficiente para se obter homegeinidade e uniformidade de cor da mistura como parâmetro, a recomendação, é que este tempo não ultrapasse os 5 minutos e não seja menor que 3 minutos [FILOMENO, 1993].

Para as argamassas contendo matérias-primas alternativas (resíduos sólidos) tenham uso adequado, torna-se necessário, caracterizar a morfologia destas matérias-primas, verificar as características de propriedades mecânicas e da microestrutura do material obtido, além das características físico-químicas, pois a utilização destas matérias-primas numa argamassa está diretamente relacionadas com estas características, assim o novo material deve satisfazer as necessidades exigidas a cada tipo de aplicação.

1.8. Resíduos industriais aplicados na construção civil

O reaproveitamento e utilização de certos materiais considerados como resíduos, permitem que estes retornem ao ciclo de processamento industrial, otimizando a relação energia/meio ambiente/materiais, o que acarreta num melhor aproveitamento dos recursos, sejam eles materiais ou energéticos. No entanto, é necessário desenvolver novos métodos e técnicas, para que estas fontes alternativas possam ser incorporadas, na elaboração de um novo material ou produto. Estes novos materiais ou produtos obtidos, a partir de alternativas, devem ser comparados aos produtos convencionais em aparência, propriedades e características ambientais. Dar um destino nobre para estes subprodutos, constitui um grande desafio.

O autor JOHN [2000] mostrou em seu trabalho, que a construção civil pode ser uma grande consumidora de resíduos provenientes de processos industriais. Segundo o autor, o setor é atualmente um grande reciclador de resíduos industriais. A indústria cimenteira recicla aproximadamente mais de 5 milhões de toneladas por ano de escória de alto forno, cinzas volantes e pneus.

(29)

1.8.1. Resíduo areia verde de fundição

Os processos de fusão dos metais ferrosos vêm provocando vários tipos de poluição ambiental, entre os quais destaca-se, a geração significativa de resíduos sólidos industriais, os quais necessitam ter uma destinação adequada. Como alternativa de tratamento e disposição final desses resíduos, aparece o reaproveitamento do resíduo, como uma fonte alternativa, no desenvolvimento de novos materiais, que podem ser utilizados na construção civil ou em outras áreas de aplicação.

O trabalho realizado por SCHMIDT [2000] sobre a elaboração e caracterização de uma argamassa, para aplicação na construção civil, obtida a partir da adição de composições unitárias de resíduo de areia verde de fundição aglomerada com bentonita, em substituição ao agregado fino convencionalmente utilizado (areia).

Neste estudo o autor realizou a caracterização da morfologia das matérias-primas, areia verde de fundição e do cimento Portland CPV-ARI-RS.

Como resultado deste estudo o autor observou que a areia verde de fundição é formada por grânulos com formas irregulares e recobertas com uma certa quantidade de bentonita, conforme ilustrado na Figura 1.1. O estudo de microanálise por EDX mostrou que a areia verde é basicamente constituída por Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Fe, como mostrado no espectro de EDX (Figura 1.2).

Para obtenção de melhores resultados o autor complementou o estudo realizando uma análise granulométrica segundo norma NBR 7217, da areia nova e areia verde de fundição, esses resultados estão ilustrados nas tabelas 1.4 e 1.5. A Figura 1.3 mostra a morfologia do cimento Portland CPV-ARI, onde o autor observou uma heterogeneidade da forma e tamanho das partículas, constituintes do cimento. Outra observação feita pelo autor foi a presença de grande quantidade de cinzas, ilustrado pelas partículas mais finas presentes na Figura 1.3.

(30)

Figura 1.2. Espectro de EDX indicando os elementos químicos que constituem o resíduo areia verde de fundição [SCHMIDT, 2000].

Figura 1.1. Micrografia mostrando a forma e dispersão do tamanho dos grânulos [SCHMIDT, 2000].

(31)

Tabela 1.4. Valores representando a granulometria do resíduo de areia verde de fundição [SCHMIDT, 2000].

% RETIDA Número ABNT

# INDIVIDUAL ACUMULADA

20 0,93 0,93

30 3,77 4,70

40 9,79 14,49

50 15,00 29,48

70 32,07 61,56

100 19,28 80,84

140 17,11 97,95

200 1,50 99,45

270 0,43 99,88

Prato 0,12 100

20 µm

(32)

Tabela 1.5. Resultado da análise granulométrica da areia nova (agregado fino) [SCHMIDT, 2000].

% Retida % Retida

Número ABNT

# INDIVIDUAL ACUMULADA

20 31,72 31,72

30 18,29 50,01

40 20,11 70,12

50 12,13 82,25

70 10,83 93,09

100 3,54 96,62

140 2,43 99,05

200 0,38 99,43

270 0,20 99,64

Prato 0,36 100

Neste trabalho, as quantidades de areia verde incorporadas na argamassa variaram de 5 a 100% em volume. As composições unitárias utilizadas pelo autor na preparação das diferentes amostras estão representadas na Tabela 1.6.

O autor observou, que com o aumento de areia verde em volume na substituição da areia nova, melhorava a plasticidade da massa cerâmica, ele explica que isto pode ter ocorrido, devido a presença de bentonita que recobre os grânulos da areia verde, favorecem a plasticidade da massa cerâmica.

Tabela 1.6. Representando as composições unitárias utilizadas na produção das argamassas [SCHMIDT, 2000].

%Resíduo Cimento [x 10-3 m3]

Areia [x 10-3 m3]

Areia Verde [x 10-3 m3]

Água [x 10-3 m3]

0% 1,58 6,16 0 1,26

5% 1,58 5,84 0,32 1,26

10% 1,58 5,535 0,615 1,26

15% 1,58 5,22 0,922 1,26

20% 1,58 4,92 1,26 1,26

25% 1,58 6,77 1,69 1,26

30% 1,58 4,31 1.85 1,26

50% 1,58 3,08 3,08 1,5

75% 1,58 1,54 4,62 1,5

(33)

Para cada argamassa preparada foram moldados 10 corpos-de-prova retangulares, de dimensões 150x100x30 mm.

Os corpos-de-prova moldados foram secos em estufa, onde permaneceram por 12 horas à temperatura de 50 °C.

Os resultados de propriedades mecânicas serão apresentados no item 1.9.

1.8.2. Resíduo da indústria de papel

Atualmente devido a fiscalização ambiental e a preocupação com a natureza e o ser humano muitos trabalhos vem sendo realizados sobre a reciclagem e reaproveitamento de resíduos. Sabendo que toda indústria de celulose, é grande geradora de resíduos e muitos desses apresentam características físicas e químicas semelhantes ao do cimento ou de um granulado, muitos trabalhos estão sendo desenvolvidos, procurando utilizar determinados resíduos, como uma fonte alternativa, na preparação de argamassa, para aplicação na construção civil.

O trabalho desenvolvido por [BRESCANSIN, 2000], sobre o reaproveitamento de resíduo sólido originário da indústria de celulose, onde foram utilizados a cinza preta e grits, sendo a matéria-prima denominada de cinza preta utilizada em substituição ao cimento e a matéria-prima chamada de grits, em substituição ao agregado fino. Na preparação das amostras, o autor utilizou concentrações em volume, de 5 a 10% de cinza preta e também de 5 a 10% para o caso do grits. Também realizou um estudo de caracterização da morfologia e da granulometria das matérias-primas alternativas. A distribuição granulométrica e características físicas do agregado fino (areia) estão representadas na tabela 1.7. Para análise granulométrica do resíduo sólido grits, foi utilizado somente o que se entende por parte fina (peneira 10 – 2 mm). A tabela 1.8 apresenta o resultado da análise granulométrica do resíduo grits.

(34)

O resíduo Grits foi utilizado em substituição a areia, apresentou uma morfologia bem distinta. Em forma de grânulos, eles são constituídos por finas partículas aglomeradas, conforme mostrado na Figura 1.6. O estudo de caracterização da morfologia da areia permitiu identificar que esta é formada por grânulos como ilustrado na Figura 1.7. Outra observação foi a presença de argila que recobre os grânulos da areia.

Tabela 1.7. Distribuição granulométrica do agregado fino [BRESCANSIN, 2000]. Abertura da Peneira (mm) Massa retida na peneira (%)

2,38 0 2,00 0,05 1,19 0,17 0,59 8,58 0,42 29,84 0,29 61,36

Tabela 1.8. Distribuição granulométrica do resíduo grits [BRESCANSIN, 2000]. Abertura da Peneira (mm) Massa retida na peneira (%)

2,38 1,77 2,00 3,73 1,19 6,64 0,59 12,89 0,42 16,25 0,29 18,22 0,149 19,70 0,074 20,80

(35)

Figura 1.4. Morfologia do cimento mostrando a dispersão do tamanho

das partículas, presença de cinzas [BRESCANSIN, 2000].

Figura 1.5. Morfologia da cinza preta mostrando a dispersão do tamanho das

partículas [BRESCANSIN, 2000].

Figura 1.6. Morfologia do resíduo grits, "in natura" [BRESCANSIN,

2000].

Figura 1.7. Morfologia da areia [BRESCANSIN, 2000]. Heterogêneidade

das partículas

(36)

A cura dos corpos-de-prova foi realizada em meio saturado em solução de cal por 28 dias. Os corpos-de-prova retirados da cura saturada foram submetidos ao ensaio de compressão axial.

O aproveitamento de resíduos na construção civil é uma alternativa interessante e um potencial inovador, além de reduzir custos, poderá servir de auxílio, no desenvolvimento de novos materiais cerâmicos ou compósitos, podendo melhorar consideravelmente algumas características de propriedades destes novos materiais.

Tabela 1.9. Representando as matérias-primas utilizadas na produção de argamassas [BRESCANSIN, 2000].

ARGAMASSAS CIMENTO ( g )

AGREGADO FINO (g)

CINZA PRETA

(g)

Grits (g) ÁGUA (ml)

Ref. (R) 624 1872 0 0 300

(A) 592,8 1872 27 0 300 (B) 561.6 1872 54 0 300

(C) 624 1779 0 49 300

(D) 624 1686 0 98 300

(E) 624 1593 0 147 300

(F) 624 1500 0 196 300

(G) 624 1407 0 245 300

1.9. Características das propriedades mecânicas e da microesturura de diferentes argamassas

(37)

(CH), aluminatos de cálcio hidratado e/ou sulfoaluminatos (C-A-H, AFt e AFm) e finalmente alguns grãos de cimento anidro.

A fase C-S-H constitui de 50% a 60% do volume sólido de uma pasta de cimento completamente hidratada. Sua morfologia varia de fibras pouco cristalinas a um reticulado cristalino, e sua resistência mecânica é principalmente atribuída a forças de Van der Waals, devido à estrutura em camadas com uma área específica elevada. Esta fase é a maior responsável pela resistência mecânica do concreto ou argamassa. Os cristais de CH (20% a 25% do volume de sólidos na pasta hidratada), têm tendência em formar cristais longos (1

µm), sob a forma de prismas hexagonais distintos, (formas não definidas até pilhas de placas geometricamente bem definidas). A morfologia do CH é afetada pelo espaço disponível, temperatura de hidratação e impurezas presentes. Nas primeiras idades, o CH é facilmente encontrado nos espaços vazios presentes na massa. O potencial de contribuição, devido às forças de Van der Waals, para a resistência mecânica é menor, conseqüência de uma área específica muito menor [MEHTA, 1994].

As fases AFt, AFm e C-A-H (15% a 20% do volume de sólidos na massa endurecida) têm um papel menor na relação estrutura-propriedade [MELO et al, 1999].

Determinadas características específicas dos resíduos, favorecem o seu reaproveitamento ou utilização de novos materiais ou produtos, como granulometria, composição química pré-definida e densidade.

Alguns autores apresentaram em seus trabalhos (tabela 1.9) as características de propriedades mecânicas das argamassas com adições de resíduos. Os resultados apresentados por estes autores indicam que, a presença de uma menor ou maior quantidade de resíduos incorporadas numa massa cerâmica, podem influenciar sobre as propriedades finais do novo material.

(38)

Resistência à Compressão: embora não seja a grandeza de maior importância na avaliação do desempenho de argamassas; esta propriedade é usada para avaliar a influência dos materiais cerâmicos na resistência das argamassas.

Resistência à Tração: esta é uma das propriedades mais importantes a ser caracterizada em uma argamassa de revestimento, uma vez que a maioria deles está sujeito a esforços de tração.

1.9.1. Características microestruturais

A caracterização microestrutural de um material, de uma maneira geral é realizada sobre superfície de fratura dos fragmentos recuperados do ensaio mecânico, com ajuda da técnica de microscopia eletrônica de varredura. Essa técnica permite observar a microestrutura do material, identificando a formação do gel e a existência de cristais anidritos na microestrutura, microfissurações e defeitos.

a) Material obtido com areia verde de fundição

SCHMIDT [2000] mostrou em seu trabalho, os resultados do estudo de caracterização microestrutural, obtidos sobre a superfície de fratura para os diferentes materiais constituídos pelos diferentes traços de areia verde na argamassa. A Figura 1.8, mostra a microestrutura de fratura, referente ao material obtido com a composição unitária 1,0 (cimento)/3,9 (areia)/ 0,8 (água), o qual foi denominado matriz, onde se pode observar claramente a formação do gel, presença de microfissuras na interface gel/agregado fino, e a presença de cristais anidritos nas regiões mais porosas do material, conforme pode ser observado na Figura 1.9.

(39)

Figura 1.8. Microestrutura da matriz mostrando gel e microfissuras

[SCHMIDT, 2000].

Figura 1.9. Microestrutura da matriz mostrando a presença dos cristais

anidritos devido a hidratação [SCHMIDT, 2000].

5 µm 20 µm

5 µm

(40)

Para o material com 100% de Areia Verde de Fundição verificou-se, a existência de regiões preferenciais de germinação e crescimento dos cristais anidritos, possivelmente devido a grande quantidade de água dissolvida na argamassa.

b) Material obtido com resíduo da indústria de papel

No estudo apresentado por BRESCANSIN [2000], que utilizou na preparação de argamassas, quantidades de resíduos cinza preta e grits, sendo as quantidades de resíduos incorporadas na preparação da argamassa em porcentagem de massa. O autor elaborou amostras com 5% e 10% de cinza preta em substituição ao cimento e amostras com 5 e 10% grits em substituição ao agregado fino.

O material obtido com cimento/água/areia, denominado matriz, apresentou uma microestrutura porosa, crescimento dos cristais anidritos de forma heterogênea, (Figura 1.11).

Para o material contendo 10% em peso de cinza preta, observou regiões preferenciais de formação e crescimento dos cristais anidritos na argamassa (Figura 1.12).

Figura 1.11. Microestrutura da superfície de fratura da matriz, apresentando porosidade e crescimento

desordenado dos cristais anidritos [BRESCANSIN, 2000].

Figura 1.12. Microestrutura de fratura do material com 10% de cinza preta

(41)

Para o material contendo 10% da matéria-prima alternativa grits, verificou-se o crescimento dos cristais anidritos desordenado e quantidade inferior de fibras de anidritos (Figura 1.13). Isto deve ter ocorrido possivelmente devido a presença do grits na argamassa.

O autor explica também, que para o caso da matriz (cimento/areia/água), obteve-se uma microestrutura porosa com crescimento desordenado dos cristais anidritos, devido à grande presença de cinza observada no cimento, o que veio a inibir a formação do gel e a germinação e crescimento ordenado dos cristais anidritos.

Para o caso da microestrutura do material com 10% de cinza preta, o autor encontrou uma microestrutura menos porosa se comparado com a matriz, e uma distribuição mais ordenada dos cristais anidritos. Para o material com 10% de grits a porosidade observada foi menor, se comparada com as amostras anteriores, apresentando uma boa interface agregado/gel.

1.10. Mecânica da fratura

A mecânica da fratura teve sua origem histórica em 1920 com o inglês GRIFFITH, com a publicação da pesquisa sobre fissuras em vidro. Porém o grande avanço no estudo da Figura 1.13. Microestrutura de fratura do material com 10%grits, apresentando a

(42)

mecânica da fratura ocorreu durante a Segunda Guerra Mundial, devido a vários acidentes envolvendo navios de guerra.

A mecânica da fratura aplica-se aos materiais estruturais como um todo, desde os dúcteis (fratura elastoplástica) até os que apresentam ruptura quase-frágil (materiais cimentícios, como as cerâmicas, os concreto, as argamassas e certas rochas).

Os cálculos teóricos de resistência estão baseados sobre a força necessária para separar dois planos atômicos, mostram valores muito superiores de 1 a 2 ordens de grandeza, para as resistências medidas experimentalmente [JORAND, 1991]. Isto é devido à presença de defeitos que propiciam o aparecimento de fissuras dentro da microestrutura do material, provocando a concentração de tensões localizadas, ultrapassando os valores de resistência teórica.

Em 1920, GRIFFITH formulou seu conceito de equilíbrio energético da ruptura. Até os dias atuais serve de referência para mecânica da fratura. GRIFTTIH supôs que os sólidos frágeis continham defeitos de pequeno tamanho, a presença destes defeitos geram fissuras no material, provocando concentrações localizadas de tensões que ultrapassam os valores da resistência teórica.

O método de GRIFFITH foi complementado pelo método de IRWIN em 1964. Esses estudos são a base da mecânica linear elástica da fratura. Neste trabalho será apresentado somente os pontos essenciais da mecânica da fratura.

GRIFFITH supôs que os sólidos frágeis contêm defeitos de pequena grandeza e que esses defeitos são pontos de concentração de tensões.

(43)

Figura 1.14. Placa infinita de espessura unitária solicitada de maneira uniforme contendo uma fissura elíptica.

De uma forma geral, há três modos de propagação da fissura, conhecidos como Modo I (modo de abertura), Modo II (modo de escorregamento) e Modo III (modo antiplano). No processo de fissuração e fraturamento esse modos podem ocorrer também de forma combinada [MURAT, 1990]. A figura 1.16 ilustrativa dos modos I, II e III.

Do ponto de vista da Mecânica da Fratura, as tensões que levam o material a fissurar (eventualmente até o colapso ou ruptura), no Modo I que é o mais simples, são as tensões de tração. Para um material isotrópico, homogêneo e elástico linear, as tensões à frente da ponta da fissura são, teoricamente, infinitas, ou seja, são singulares.

Isto quer dizer, quanto mais próximo da ponta da fissura estiver um dado ponto em análise, maiores serão as tensões nesse ponto.

Sendo:

(

2 2

)

4 γ π aσ E a U

UT = eo+ S − (Eq. 1.1)

onde:

Ueo= energia elástica da placa na ausência da fissura 4aγS = energia superficial de fissura

(

2σ2

)

π a

(44)

E = módulo de elasticidade do material.

A soma das energias passa por um máximo (figura 1.15): no momento que a falha atinge um valor crítico ac, e a fissura se propaga de maneira catastrófica.

Figura 1.15. Soma das energias em função de a [FANTOZZI, 1988].

A condição de equilíbrio é obtida pela relação :

a UT

∂ ∂

= 0 (Eq. 1.2)

Quer dizer condição de instabilidade onde

R σ =

c s

a E π

γ 2

(Eq. 1.3)

O que significa que para um comprimento de fissura a < ac, não existe uma extensão da fissura ; portanto, para um comprimento a ≥ ac a fissura se propaga de maneira catastrófica. Esta relação somente é válida para os materiais com comportamento elástico.

(45)

De uma forma geral, as tensões em um ponto à frente da ponta da fissura (Figura 1.17) podem ser escritas, para o Modo I de fraturamento em duas dimensões, da forma que se segue:

( )

θ

π

σ

I ij

ij

f

r

K

.

.

2

=

(Eq. 1.4)

com i e j variando de 1 a 2 (Direções x,y).

sendo :

σi j = Tensões no ponto considerado.

KI = Fator de Intensidade de Tensões, para o Modo I.

π = 3,1415....

r = Distância do ponto considerado a ponta da fissura

fij(θ)= função relativa à geometria e forma de carregamento do corpo

θ = Ângulo que define a posição do ponto considerado, relativamente a um sistema de referência posicionado na ponta da fissura.

O Fator de Intensidade de Tensões, KI, pode ser definido como sendo o fator que descreve o campo de tensões à frente da ponta da fissura, ou seja, o fator que associa as tensões à frente da fissura, com a singularidade.

Enfim, quando o Fator de Intensidade de Tensões, KI ultrapassa um determinado valor, a fissura propaga. Esse valor limite é conhecido como Tenacidade do Fraturamento do material, designado KIC, uma propriedade mecânica do material (a tenacidade ao fraturamento, KIC é medida em MPa.m1/2).

(46)

Y a

KICR π. c. (Eq. 1.5)

onde: Y é um parâmetro de forma e de carregamento (equivalente a fij(θ), Eq. 1.4)

σR é a tensão de ruptura

KIC é o fator crítico da intensidade de tensão no modo I.

Evidentemente, tensões singulares são abstrações matemáticas. De fato, com o aumento dos níveis de tensão nas proximidades da ponta da fissura, o material nessas regiões passa a experimentar um processo evolutivo de dano (como a plastificação no caso dos metais e a microfissuração no caso dos concretos), processo que pode levar o corpo até a ruptura, pela formação e propagação de fissuras. A região à frente da fissura onde esses fenômenos inelásticos são verificados, é conhecida como Zona de Processos Inelásticos ou Zona de Processamento da Fissura.

Figura 1.16 Modos de propagação de fissura. Modo de abertura

Modo de escorregamento

(47)

Figura 1.17 Zona de processos inelásticos e tensões em um ponto à frente da ponta da fissura [FERREIRA, 1998].

1.10.1. Mecanismos de danificação da argamassa

A heterogeneidade da estrutura da argamassa e as variações volumétricas que acontecem em decorrência do processo de cura, criam no material degradações iniciais (dano) de natureza irreversível.

De uma maneira geral o dano inicial, é constituído por defeitos na zona de interface, entre as fases e por vazios ou poros na argamassa [BITTENCOURT, 2000].

A existência, por um lado, de uma fase estável (os agregados) e, por outro lado, de uma fase evolutiva do ponto de vista constitutivo (a pasta sofre retração e expansão na fase de cura, quando a resistência ainda é fraca) conduz à caracterização de uma zona de fraca resistência ao redor dos grãos, chamada "zona de transição". Nesta zona, formam-se defeitos de aderência e vazios quase sempre associados à direção de moldagem (figura 1.18).

dx dy

(48)

O processo de evolução do dano, ou danificação, difere de acordo com o tipo de solicitação. Os principais mecanismos de danificação, comuns a todos os estados de solicitação, podem ser caracterizados observando-se, na média escala, a resposta do material nos estados uniaxiais de tração e de compressão [PROENÇA, 2000].

Figura 1.18. Zona de aderência com os de agregados [BITTENCOURT, 2000]. Direção de Moldagem

Danificação inicial = microfissuração ou matriz mais fraca

Direção de de carregamento Direção de Moldagem Maiores partículas de agregados Fissuração induzida pelo carregamento Danificação inicial Fissuração induzida pelo carregamento Direção de de

carregamento Direção de de carregamento

Direção de Moldagem

Danificação inicial = microfissuração ou matriz mais fraca

Direção de de carregamento Direção de Moldagem Maiores partículas de agregados Fissuração induzida pelo carregamento Danificação inicial Fissuração induzida pelo carregamento Direção de de

(49)

PARTE 2. MATERIAIS E MÉTODOS

Introdução

O objetivo desta pesquisa é desenvolver uma nova argamassa para aplicação em revestimento em chapas metálicas, visando obter um material cerâmico com baixa densidade e baixo custo. A argamassa será obtida a partir de adições de matéria-primas alternativas (resíduos sólidos industriais) em substituição ao agregado fino convencionalmente utilizado.

A figura 2.1 ilustra o esquema geral utilizado na preparação da argamassa,

obtenção e caracterização do material cerâmico. Este implica no método utilizado de caracterização das matérias-primas, elaboração da argamassa, moldagem, secagem, obtenção do material e caracterização do material cerâmico.

Inicialmente realizou-se um estudo de caracterização das matérias-primas, quanto a granulometria, composição química por microanálise de EDX e da morfologia.

(50)

Figura 2.1. Esquema geral de elaboração e caracterização do material cerâmico. Matérias-primas alternativas

Têxtil/Poliuretano/ Cimento/Fibras

Caracterização Morfológica e

Química

Mistura

Moldagem dos Corpos-de-prova

Cura em Estufa a

50°C/10 h

Resfriamento a

temperatura ambiente

Desmoldagem Ensaio à Flexão três

pontos

(51)

2.1. Matérias-primas utilizadas

2.1.1. Areia (agregado fino)

A areia utilizada de origem de depósitos sedimentares, que se formam nos leitos dos rios. A densidade da areia foi determinada pelo método da compactação, onde se depositou a areia em uma proveta, compactou-se o mesmo com 20 golpes, e por fim fez-se a relação entre volume e massa, como resultado obteve-se o valor da ordem de 1,6 g/cm3. A caracterização da granulometria do agregado fino foi realizada utilizando um analisador, marca Retsch AS200 digit e respeitando a norma NBR 7217.

Em uma simples análise visual desta areia, percebeu-se a existência de grande quantidade de cascalho, o que acaba aumentando o módulo de finura do material, como se pode observar no resultado da análise granulométrica mostrada na Tabela 2.1.

Tabela 2.1. Análise granulométrica da areia (agregado fino).

% Retida % Retida Número ABNT

#

INDIVIDUAL ACUMULADA

20 31,72 31,72

30 18,29 50,01

40 20,11 70,12

50 12,13 82,25

70 10,83 93,09

100 3,54 96,62

140 2,43 99,05

200 0,38 99,43

270 0,20 99,64

Prato 0,36 100

(52)

2.1.2. Matéria-prima alternativa têxtil

A matéria-prima têxtil utilizada neste trabalho foi gentilmente cedida pela COMPANHIA FABRIL LEPPER, localizada em Joinville – SC.

O lodo ao sair do filtro prensa, passa por um secador, que trabalha à temperatura de 220°C, o material recuperado do secador foi denominado matéria-prima têxtil, essa é

armazenada em um container, local onde foi coletada. A matéria-prima têxtil apresenta-se sob forma de aglomerados e possui cor cinza escuro. São geradas 30 toneladas por mês de matéria-prima têxtil.

Realizou-se um estudo utilizando a microanálise por EDX para verificar a composição química dos grânulos, os elementos encontrados foram Ca, S, Si, Al, Cr e Fe. A figura 2.3 mostra o espectro EDX ilustrando os picos dos respectivos elementos encontrados.

A presença de alumínio e enxofre é devido ao uso de sulfato de alumínio no processo de tratamento de efluentes. O silício provém da pasta de estamparia que possui em sua composição silicato. O ferro está presente em alguns corantes, porém em pequenas quantidades, mas utiliza-se sulfato ferroso na estação de tratamento de efluentes. O cálcio é justificado pelo uso da cal (carbonato de cálcio), que é adicionada ao lodo líquido antes de entrar no filtro prensa, com o objetivo de proporcionar consistência durante a prensagem.

100 µm

(53)

Figura 2.3. Espectro de EDX indicando os picos dos elementos presentes

na matéria-prima têxtil.

A caracterização da granulometria da matéria-prima têxtil foi realizada utilizando o mesmo método já utilizado para o caso do agregado fino.

A classificação da granulometria foi realizada para identificação da finura dos grânulos. O resultado deste estudo está representado na tabela 2.2. Para preparação da argamassa utilizou-se a malha ABNT 4 # 4,8 mm.

A densidade da matéria-prima têxtil, foi determinada pelo método da compactação, obteve-se o valor da densidade para o compactado de 0,6 g/cm3.

O estudo de caracterização da morfologia da matéria-prima têxtil foi realizado, utilizando a técnica de microscopia eletrônica de varredura, como resultado verificou-se uma variação da forma dos grânulos e uma dispersão do tamanho dos mesmos, conforme se pode observar na figura 2.4.

Os parâmetros ambientais da matéria-prima têxtil foram caracterizados pela LABORQUÍMICA (Laboratório de Análises Químicas Ltda, localizada em Porto Alegre – RS).

Este estudo teve como interesse verificar a composição química da matéria-prima

(54)

Tabela 2.2. Características da granulometria da matéria-prima têxtil.

% RETIDA Número ABNT

Mesh # INDIVIDUAL ACUMULADA

20 50,5 50,5

30 10,8 61,3

40 10,4 71,7

50 8,0 79,7

70 9,2 88,9

100 3,9 92,8

140 3,0 95,9

200 1,9 97,7

270 1,2 99.2

Prato 0,8 100,0

100µm

(55)

Tabela 2.3. Parâmetros da matéria-prima têxtil [LABORQUÍMICA, 1999].

Determinação Unidades Resultado

Umidade % 32,5

pH (Solução a 5%) x-x-x-x 9,0

Óleos e Graxas % 31,0

Cianetos % CN- N.D.

Sulfetos ppm H2S 28,0

Cinzas % 70,0

Os resultados estão expressos em base seca, com exceção da umidade e do pH.

Como pode ser observada na análise fornecida pela LABORQUÍMICA, a

matéria-prima têxtil apresenta sulfetos, porém em pequena quantidade. O teor de umidade (h) de 32,5%.

2.1.3. Poliuretano

A matéria-prima alternativa de poliuretano (PU) foi cordialmente doada pela empresa MULTRIBRAS, localizada em Joinville – SC.

O poliuretano foi coletado em sacos plásticos diretamente das sobras do processo de refrigeradores. Os sacos devidamente fechados foram armazenados em local coberto à temperatura ambiente.

O estudo de classificação da granulometria foi realizado usando o método já exposto anteriormente para identificar a finura dos grânulos. O resultado desta análise está representado na tabela 2.4. Para preparação da argamassa definiu-se como malha granulométrica do PU ABNT 6 # 3,36 mm.

(56)

Tabela 2.4. Características da granulometria do resíduo poliuretano.

% RETIDA Número ABNT

Mesh # INDIVIDUAL ACUMULADA

20 72,47 72,47

30 12,19 84,66

40 9,31 93,97

50 1,46 95,43

70 2,30 97,72

100 0,90 98,62

140 0,62 99,24

200 0,48 99,72

270 0,14 99,86

Prato 0,14 100,00

2.1.4. Cimento

O cimento utilizado na confecção dos materiais neste trabalho de marca Itambe CPV – ARI – RS, para melhor conhecimento deste material realizou-se um estudo de caracterização da morfologia do cimento, o que colocou em evidência a heterogeneidade no tamanho e forma das partículas, constatando-se também, a presença de cinzas conforme mostrado na figura 2.5. Outra observação foi a existência de pozolanas, como se pode verificar a esfera na figura 2.6.

(57)

Figura 2.7. Espectro de EDX indicando os principais elementos químicos encontrados

no cimento.

2.1.5. Fibra

A fibra de polipropileno utilizada neste estudo é proveniente da indústria ORPED, sendo que a mesma não é resíduo. O comprimento da fibra é de 40 mm.

5 µm

Figura 2.6. Micrografia apresentando a pozolana do cimento em forma de

esfera. Figura 2.5. Micrografia do cimento

mostrando a heterogeneidade do tamanho das partículas e a presença de

cinzas, parte fina.

(58)

O objetivo de sua aplicação foi melhorar as características de propriedades mecânicas do material, já que a fibra pode obstruir a propagação de microfissuras, retardando, portanto o início das fissuras.

Quando se adicionam fibras ao concreto, este deixa de ter o caráter marcadamente frágil. Isto ocorre pelo fato da fibra servir como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, minimizando a concentração de tensões nas extremidades das mesmas. Com isto tem-se uma grande redução da velocidade de propagação das fissuras no concreto que passa a ter um comportamento pseudo-dúctil, ou seja, apresenta uma certa capacidade portante pós-fissuração [FIGUEIREDO, 2000].

Deve-se ressaltar que o nível de tensão que a fibra consegue transferir pelas fissuras depende de uma série de aspectos como o seu comprimento e o teor de fibras [MEHTA, 1994].

Foram utilizados 0,0076 litrosde fibra na preparação da argamassa para obtenção de seis corpos-de-prova (150 x 100 x 30 mm). A figura 2.8 mostra as fibras utilizadas nas argamassas.

Figura 2.8. Fibras de polipropileno utilizadas nas argamassas.

2.1.6. Água

Figure

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